便携型多模式水声浮标监测系统

郭杨阳，王 博

(1.中国船舶科学研究中心 深海载人装备国家重点实验室，江苏 无锡 214082；2.上海交通大学 高新船舶与深海开发装备协同创新中心，上海 200240)

0 引 言

随着水声技术的发展，声学手段成为海洋声场监测和目标识别的主要方式，在海洋斗争和海洋安全维护中扮演重要的角色。声呐探测分为被动探测和主动探测2种方式，准确获知海洋背景噪声、舰船噪声[1]和目标回波是声呐正常工作的前提。近年来，海洋浮标[1-5]日渐受到关注和重视，不仅对通用浮标的各方面性能进行研究，也研发了很多领域的海洋专用浮标[5-10]。

相比舰/船载水声测量设备，水声浮标[10-12]远离母船自噪声，可以在无人值守的海洋环境中自动、长期、连续收集海洋环境资料，即使在恶劣环境，在其他现场监测手段都无法实施监测的时候，水声浮标依然能够有效工作，成为主要水声测量设备之一。目前，水声浮标已得到拥有海洋领域国家的高度重视，将在未来海洋军事斗争和海洋防御中扮演重要角色。

目前已有的水声浮标以被动浮标为主[5]，体积大、功耗高、价格昂贵等缺点导致浮标布放困难、单次持续工作时间较短、造价高，单一测量模式也大大限制了水声浮标的应用和发展。为了更加精确地测量海洋背景噪声、舰船噪声和目标回波，开展水声浮标监测浮标系统的研究刻不容缓。本文设计并实现一种体积小、简单便携、功耗低、成本低的多模式水声监测浮标，高效监测、分析、研究水下背景噪声场，并根据海洋水声场监测数据进行海洋目标识别和探测，使水声浮标具有更高的便携性、合理性、稳定性和高效性。

1 系统总体设计

1.1 系统功能设计

本文设计的水声浮标测量系统主要具有3个功能。

1）多节点多通道

水声浮标测量系统包括多个浮标，在信号采集过程中，每个浮标是一个采集节点；每个浮标可以采集多路信号，每路信号称为一个通道。这样的设计是为了在使用的过程中可以根据具体需求形成二维阵列，用于主动声呐可以有效地抑制混响，提高信噪比。

2）多模式

多模式是指具有多种触发方式，可根据情况应用于不同实验中。本系统设置多种触发方式：

① 通道触发。设置其中一路信号为触发通道，当触发通道的电平达到预先设定的触发电平时，所有浮标的通道开始同步采集信号，该同步精度达到1 ms。

② 手动触发。即软件触发，按下按钮时各通道开始同步采集数据，这种采集方式多用于被动声呐。

③ GPS触发。由于多个浮标之间距离较远，通过线路连接无法实现精确同步，本系统设计通过GPS进行时间同步，设定开始采集时刻，到达该时刻各个浮标同时开始采集信号。

3）无线通信

本系统在岸基和各个浮标之间建立无线网络方便数据传输，不再需要回收浮标获取数据，可以在最短的时间内分析数据，调整测量方案，并且可以及时清理浮标的存储空间，避免内存溢出。

1.2 系统构成及工作原理

水声浮标测量系统由多个可扩展的浮标和控制软件组成（见图1）。用户通过远程控制可以实现多节点、多通道数据同步采集、实时分析以及远程传输。

图1 水声浮标测量系统Fig.1 System structure

水声浮标测量系统结构组成如图2所示，主要由浮标子系统和控制软件组成。其中软件包括嵌入式控制软件和远程控制软件，分别运行于浮标和用户PC上；浮标子系统由浮标体、控制器模块、信号采集模块、GPS模块、无线通信模块、供电模块和传感器模块组成。

浮标子系统的模块设计如图3所示，水听器采集的数据通过阻抗转换模块、信号采集模块后被存储在控制器中，GPS模块为系统提供准确的时间和地理位置，系统通过无线网络上传数据文件。系统软件结构设计如图4所示，嵌入式控制软件运行于浮标子系统，实现采集记录数据、接收GPS信号、数据存储等功能，远程控制程序运行于用户PC，用户通过无线网络向下位机发送指令、设置参数等，相反浮标子系统向用户传输系统工作的实时状态，传输实时数据。

图2 水声浮标测量系统系统构成Fig.2 Diagram of underwater acoustic buoy monitoring system

图3 浮标子系统模块设计Fig.3 The structure of portable underwater acoustic buoy monitoring system

图4 系统控制软件结构Fig.4 Schematic diagram of control software

本文设计的水声浮标测量系统的主要技术参数如表1所示。

2 系统硬件设计

浮标电子舱由控制器、阻抗转换模块、信号采集模块、GPS模块、水听器和蓄电池组成，图5为电子舱集成固定后的实物图，电子舱内的控制器用于数据从下位机到上位机长时间数据汇总，进行数据的预处理、分析和存储。阻抗匹配模块、信号采集模块和GPS模块安装在控制器中，如图6所示。信号采集模块输入端连接水听器接收电信号，输出端连接至阻抗匹配板卡的输入端进行信号调理，GPS板卡连接GPS天线接收标准时间和位置信息，Wifi天线和网桥连接在控制器的网口端用于和上位机通信。

表1 水声浮标测量系统主要性能参数Tab.1 Technical parameters of portable acoustic buoy monitoring system

图5 浮标电子舱实物Fig.5 Picture of electronic cabin

图6 浮标实体Fig.6 Picture of the buoy

浮标实体，标体材料为不锈钢，具有良好的耐腐蚀性、耐热性、低温强度和机械特性，标体设计为220 mm×350 mm的圆柱壳，壁厚10 mm，上盖板可拆卸，并固定有GPS天线、Wifi天线和源开关，底板连接4个水听器。为了增高重心位置，降低浮标横向摇摆固有频率[13]，在浮底部安装浮标腿，

3 系统软件设计

系统控制软件基于Labview[14]图形开发环境，实现对数据的在线采集和分析。包括上位机远程控制软件和下位机嵌入式软件，如图7所示。上位机控制程序通过TCP/IP技术完成系统配置、参数配置、数据下载，并通过界面实时显示测量数据。下位机程序分为实时控制程序和FPGA数据采集程序。FPGA程序驱动阻抗模块、数据采集板卡和GPS板卡分别实现传感器和数据采集板卡之间的阻抗匹配、数据采集记录和时间对标。实时控制程序模块完成系统自检、通讯对标、数据缓存和数据传输。

图7 软件结构示意图Fig.7 Structure of system software

图8为上位机控制程序界面，界面由系统设置、浮标位置分布图、实时波形图、频谱和指示灯等部分组成，其中系统设置包括网络连接、工作模式设置、采集设置、FFT设置、数据下载以及GPS信息。

图8 上位机界面Fig.8 The interface of software

4 系统测试

4.1 实验仪器布放

水下目标被动定位实验是通过在不同的位置布置水听器，将各个位置接收到的水下声信号做波束形成信号处理，从而确定声源位置。一般用二维水听器阵列确定声源的三维位置，在此实验中每个浮标连接4个水听器组成1个垂直水听器阵，垂直水听器阵确定声源的深度；布放多个浮标，各个浮标相同深度的水听器组成水平水听器阵，水平水听器阵确定声源在水平方向具体位置。

水下目标被动定位的实验仪器布放如图9所示，信号发生器发生的信号通过功率放大进行放大，再通过发射换能器转化为声波发射，使用频率为1 kHz的发射换能器，布放深度为水下8 m，每个浮标的布放位置和多基地目标回波测量实验中的位置相同，每个浮标底部安装4个水听器，4个水听器共线，和水面距离分别为7 m，7.5 m，8 m和8.5 m。4个浮标和岸基的服务器通过无线网络通信。

图9 水中目标被动定位实验仪器布放图Fig.9 Instrument layout of underwater target positioning

4.2 实验方案及测量

用频率为1 kHz的发射换能器发射表2所示参数的信号，采样率、采集方式、采集时间长度等参数设置如表3所示。

表2 发射信号参数Tab.2 Parameters of emission signals

表3 信号采集参数设置Tab.3 Signal recording parameters

4.3 实验数据处理及分析

实验数据如图10所示，可以辨别声波第1次到达水听器、声波经过水面反射和声波经过水底反射的波形。其中4号、3号、2号、1号水听器分别位于距离水面7 m，7.5 m，8 m以及8.5 m的位置，各个水听器的波到达时间稍有不同。根据波束形成的理论[15]，将第2、第3和第4水听器分别按相应的时延对齐，对齐后的4个水听器信号相加，计算每个角度所对应的能量输出。

实验数据处理具体流程如图11所示。通过以上实验处理过程，得到各个浮标的角度-距离谱如图12所示。从图中可以清楚地看到直达波、水面反射波以及水底反射波达到水听器时走过的路程长度。

图10 水听器接收到的信号Fig.10 Hydrophone received signal

图11 数据处理流程Fig.11 Data processing procedure

根据各个浮标直达波的到达角度可以得到声源的深度，根据水面反射波和水底反射波的到达角度和声波传播路程可以计算得到声源和各个浮标的水平投影距离，从而得到声源的大概位置，计算所得的位置和声源所处的位置基本吻合。

5 结 语

本文从系统性能、工作方式、工作原理、数据储存方式等方面介绍了基于CRIO平台的水中目标声特性测量系统，并以实验表明测量系统的可行性，相对于传统的数据记录仪，该测量系统具有小巧便携、远程实时传输数据、易于开发新功能等优点，但由于还未广泛参与实验，部分细节将在实际实验中不断改善改进，使得该系统可以被普遍地使用。

图12 浮标波束形成Fig.12 Beamforming